廢舊塑料片材回收利用技術(shù)

楊杰 王克儉

（北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院成型制造研究中心）

引 言

近年來，各類熱固性和熱塑性塑料不斷發(fā)展，其主要成分是合成樹脂，為了完善材料各方面性能，還在聚合物中添加了增韌劑、穩(wěn)定劑和潤滑劑等輔助材料，甚至還用纖維浸漬增強(qiáng)，大大提高其力學(xué)性能。在被加工成片材后，因其多功能性、良好的外觀效果、耐磨損性、機(jī)械性能高，以及可與其他材料復(fù)合使用等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用塑料包裝、農(nóng)業(yè)以及車輛建筑內(nèi)裝飾等領(lǐng)域。其中食品包裝是塑料片材最主要的應(yīng)用市場，幾乎占了各類塑料片材總用量的一半；同時(shí)由于醫(yī)療工具器械、藥品等影響，醫(yī)用包裝的是塑料片材的第二大應(yīng)用市場。

塑料片材主要有單一材料片材、復(fù)合片材和可降解塑料片材三種類型。許多塑料片材長期存留在泥土中不易降解，往往只被消費(fèi)一次就被丟棄，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，對人們生存環(huán)境和資源利用產(chǎn)生了巨大壓力。國內(nèi)外對廢舊塑料片材的切割、粉碎和回收方法這三方面都做出了大量的研究，并在回收設(shè)備的改進(jìn)和加工方法上都取得了很大的成果，但也有許多問題尚待解決。

1. 塑料片材的切割

在塑料片材加工時(shí)，為獲得所需規(guī)格的型材需裁減去多余的邊角，或在許多較大廢舊塑料片材被粉碎前需要進(jìn)行切割，以減小其體積增大粉碎效率。

目前使用的塑料片材切割機(jī)通常采用劃刀或圓刀盤，通過動刀與定刀相互作用實(shí)現(xiàn)對塑料片材切條或切塊。但在切割機(jī)使用過程中也存在沒有加緊裝置，不能自動送料，導(dǎo)向性差，不能準(zhǔn)確定位等問題，為此人們對常用片材切割機(jī)上裝置進(jìn)行了大量改進(jìn)。

1.1 專用塑料片材切割機(jī)的改進(jìn)

1.1.1 導(dǎo)向壓緊裝置的改進(jìn)

大多數(shù)傳統(tǒng)的塑料片材切割裝置只是簡單的對廢舊片材進(jìn)行裁剪，沒有設(shè)置壓緊機(jī)構(gòu)和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，導(dǎo)致在切割過程中片材位置會發(fā)生偏移，不能根據(jù)所需軌跡規(guī)則的切下片材，從而影響了切割的精度和片材性能。蘇州清之綠新材料有限公司對壓緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行合理的創(chuàng)新，壓緊機(jī)構(gòu)安裝在支撐面板的頂面，通過調(diào)整壓輪上下的位置，能適應(yīng)不同厚度與硬度的塑料片材切割。同時(shí)在原有的基礎(chǔ)上創(chuàng)新了導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，并且能夠同時(shí)調(diào)節(jié)導(dǎo)向塊和壓輪的水平度與垂直度，可以相當(dāng)精確引導(dǎo)塑料片材的切割[1]。

1.1.2 自動送料裝置的改進(jìn)

許多塑料切割機(jī)擁有橫切和縱切兩重刀，既可以被縱切刀切成條，又可以被橫切刀被切成粒，但不能自動的送料，需要額外施加壓力。這種塑料切割裝置在切割時(shí)物料容易走歪，進(jìn)料的壓力過大或過小都可能引起切條后下落位置偏移，工作效率低，影響切粒質(zhì)量。潘小敏[2]創(chuàng)新設(shè)計(jì)的塑料片材切粒機(jī)，可通過進(jìn)料輥與縱切輥相互作用促使被切割的塑料片材以一定速度自動進(jìn)料，切出的料條與料粒形狀大小均勻，而且被切后料粒通過出料口進(jìn)入出料漏斗收集，促使廢舊塑料回收更加方便。

1.1.3 刀具夾持裝置的改進(jìn)

多數(shù)塑料片材切割機(jī)刀具都是固定在夾持裝置上，更換不方便，在使用一段時(shí)間后磨損嚴(yán)重，分切后的片材毛屑較多，切口邊緣不平整，出現(xiàn)翹邊現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致材料的浪費(fèi)。吳中心[3]創(chuàng)新設(shè)計(jì)了新型刀具和夾持裝置，結(jié)構(gòu)簡單，不需要停機(jī)就可實(shí)現(xiàn)刀具快速更換，并且刀具的寬幅可以快速精確的調(diào)整，減少了材料的浪費(fèi)。

1.2 傳統(tǒng)鋸切

鋸切是利用邊緣帶有鋸齒的刀具或薄片砂輪等工具，對工件進(jìn)行切割或切出狹槽。如圖 1，根據(jù)所用刀具形式可分為弓鋸切、圓鋸切和帶鋸切等[4]。各鋸切都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，可根據(jù)材料的種類選擇使用，切割面上不會產(chǎn)生相應(yīng)的化學(xué)變化，較好地保護(hù)了塑料片材的原始性能。

現(xiàn)階段對于玻璃纖維增強(qiáng)熱固性塑料片材，通常采用弓鋸或圓鋸進(jìn)行切割；熱塑性塑料片材也是采用弓鋸或圓鋸切割，但操作時(shí)須要加冷卻劑。但現(xiàn)在的各類鋸切精度不高，在未來發(fā)展中可與更多功能的設(shè)備結(jié)合使用以實(shí)現(xiàn)復(fù)合功能鋸床，同時(shí)向全數(shù)控化、網(wǎng)絡(luò)化鋸床邁進(jìn)，進(jìn)一步提高加工精準(zhǔn)度。

圖1 弓鋸、圓鋸和帶鋸

1.3 超薄電鍍金剛石砂輪切割

采用超薄電鍍金剛石砂輪切割片作為刀具，通過高速劃片機(jī)床進(jìn)行切割，可獲得精準(zhǔn)的切割深度和較好的端面。電鍍金剛石砂輪片切割切口質(zhì)量高，非常適合碳、玻璃和硼等硬質(zhì)磨料纖維增強(qiáng)復(fù)合材料片材的深窄縫切割[5]。受力簡圖如圖 2，國內(nèi)已研制了一種碳纖維復(fù)合材料金剛石砂輪切割機(jī)，取得了良好的切割效果，并已被中國商用飛機(jī)公司的正式驗(yàn)收。但此種切割一般只適合直邊或圓形等簡單形狀的片材切割，且切口邊緣附近產(chǎn)生的分層、撕裂、毛刺等問題，仍需大量的研究使其切割性能更完善。

圖2 砂輪切割受力模型[5]

1.4 超高壓磨料水射切割

切割時(shí)先在水中混入磨料（如石英砂、金剛砂等），磨料水經(jīng)過噴嘴從高壓低速轉(zhuǎn)化為低壓高速沖擊到物料表面，通過水射流的沖擊作用、動壓力作用、脈沖負(fù)荷引起的疲勞破壞作用以及水楔作用破壞物料，達(dá)到切割效果[6]。其加工系統(tǒng)原理如圖3。

作為一種清潔高效的冷態(tài)切割技術(shù)，切割塑料片材時(shí)無熱效應(yīng)，能有效地完成對許多纖維增強(qiáng)塑料片材的切割。國內(nèi)已經(jīng)具備了生產(chǎn)高壓磨料水射流切割機(jī)床的能力，如南京大地水刀，奧拓福水刀，上海希美騰水刀等廠家所開發(fā)的高壓水射流機(jī)床產(chǎn)品已經(jīng)日趨成熟。

然而，對許多材料加工機(jī)理研究并不成熟，特別是遇水易溶或發(fā)生反應(yīng)的材料，使磨料水射流加工的應(yīng)用受到制約。

圖3 超高壓磨料水射流加工系統(tǒng)簡圖

1.5 水下激光切割

在水下一定深度，將方向性和集聚性特強(qiáng)的單色光射到廢舊塑料片材的指定位置，并按一定的速度移動，因吸收激光能而受熱急劇升溫，通過汽化蒸發(fā)和熔融濺出使材料去除，從而完成切割過程，激光切割原理如圖4。

圖4 激光切割原理簡圖[8]

用水做冷卻劑對，既可以利用激光加工高效快速的特點(diǎn)，又能夠有效減小激光對材料的熱損傷。對切割纖維復(fù)合材料、通用熱塑性塑料和特種工程塑料等制成的塑料片材比較適宜?；ㄣy群等[7]在水下10厘米處，用氮?dú)鉃檩o助氣體切割碳纖維復(fù)合材料，與在空氣中激光切割相比，極大地降低了對纖維和樹脂的熱損傷效應(yīng)。但水下切割需要較大的電功率，功率不足可能會導(dǎo)致切割不透或切縫太窄等問題。

2. 塑料片材的粉碎

塑料的粉碎過程是塑料斷裂的過程，即塑料與運(yùn)動的刀具之間受一定的壓力和剪切力作用后，達(dá)到塑料的剪切強(qiáng)度極限時(shí)便被粉碎，或塑料彼此之間摩擦?xí)r的剪切、磨削作用使物料粉碎。實(shí)際中各類塑料片材的力學(xué)性能相差很大，斷裂機(jī)理也不同，需要不同類型的塑料粉碎機(jī)來粉碎。

2.1 強(qiáng)力塑料粉碎機(jī)

根據(jù)粉碎對象不同，塑料粉碎機(jī)大致可分為三類，其特點(diǎn)與應(yīng)用范圍如表1所示。

表1 塑料粉碎機(jī)

強(qiáng)力塑料粉碎機(jī)是一種通用型塑料粉碎機(jī)，有粉碎效率高和工作性能穩(wěn)定，粉碎的物料較均勻等特點(diǎn)，造粒后可直接用于擠出成型和注塑成型。其對廢舊塑料片材粉碎時(shí)采用硬質(zhì)合金鋼片刀，電源有過載保護(hù)裝置，操作安全，可對各類塑料片材的切割。鄭效東等[9]創(chuàng)新設(shè)計(jì)一種新塑料片材粉碎回收機(jī)，通過滾刀與定刀相對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動產(chǎn)生剪切力，將大段片材廢膜進(jìn)行切碎，利于廢料的重復(fù)利用，降低了生產(chǎn)成本。但在粉碎超硬塑料片材時(shí)，也存在刀具容易折斷，粉碎力不夠等問題，還需進(jìn)一步完善。

2.2 雙輥式粉碎機(jī)

雙輥式粉碎機(jī)又叫對輥式粉碎機(jī)，三維簡圖如圖5所示，主要工作部件為兩軸線平行的齒輥，并且沿齒輥軸線方向交錯布置一定數(shù)量的刀盤與軸套。在電動的機(jī)的帶動下，兩齒輥沿相反方向旋轉(zhuǎn)，當(dāng)物料進(jìn)入兩齒輥后，高硬度材料的刀盤交錯轉(zhuǎn)動將物料剪切、撕裂和擠壓，使得物料被劈裂和粉碎成低于設(shè)定尺寸，最后被強(qiáng)制排除機(jī)外的過程[10]。

雙輥式粉碎機(jī)可用于各類塑料片材的粉碎，可通過調(diào)整刀盤上刀的齒數(shù)、刀盤的排布（直線型或螺旋型）、刀盤與軸套的嚙合間隙等參數(shù)，以獲得不同粒度的塑料片材。但雙輥式粉碎機(jī)粉碎纖維增強(qiáng)塑料片材時(shí)，容易破壞纖維的力學(xué)性能，導(dǎo)致回收效率低，還需進(jìn)一步完善。

圖5 雙輥式粉碎機(jī)三維簡圖

3. 回收再利用

3.1 物理回收再利用

物理回收再利用方法指利用機(jī)械設(shè)備對廢舊塑料片材顆粒重新熔化進(jìn)行造?；蛑苯蛹庸こ尚碌乃芰现破?。實(shí)現(xiàn)了塑料片材的循環(huán)有效利用，是塑料回收的首選方法。根據(jù)實(shí)際需要，物理回收一般可分為簡單回收和改性回收兩類。

3.1.1 簡單回收

簡單回收是不改變廢舊塑料片材原有的性質(zhì)，通過一些機(jī)械設(shè)備將廢舊塑料片材經(jīng)過切割粉碎等過程后直接加工成型或通過造粒后加工成型。簡單回收技術(shù)已較成熟，但要想對回收的塑料片材回收利用效率高，前提是盡可能成分單一，老化程度低，性能和最初相差不大。蔡建偉[11]創(chuàng)新一種塑料片材制杯在線粉碎一體機(jī)，具有在線邊料粉碎回收功能，實(shí)現(xiàn)片材邊料在線循環(huán)再利用，節(jié)約成本，并且避免片材邊料的污染。

3.1.2 改性回收

改性回收是在簡單回收原理的基礎(chǔ)上，采用物理或化學(xué)的方法對廢舊塑料片材進(jìn)行改性，從而達(dá)到再利用的要求。廢舊塑料片材一般可通過填充、共混、增強(qiáng)、增韌以及化學(xué)等方法進(jìn)行改性處理，可用于制作檔次較高的產(chǎn)品。

國外對此項(xiàng)技術(shù)研究較早，已相對成熟，如美國可口可樂公司與資源回收公司共同研發(fā)出一套對塑料水瓶循環(huán)回收再利用裝置，可實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)的食品級聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）塑料片材進(jìn)行重新利用。在國內(nèi)，雖然此技術(shù)開發(fā)的較晚，但也取得了一定的成果，王清華等[12]創(chuàng)新了一種新的廢舊聚苯乙烯片材的回收利用方法，加入了增韌劑、塑化劑和色母料等進(jìn)行改性，降低了成本，還解決了環(huán)保問題。

3.2 化學(xué)回收再利用

化學(xué)回收再利用是先破壞廢舊塑料片材的分子鏈，使其分解成具有活性的單體或低聚合物和其他化學(xué)物質(zhì)后，經(jīng)分離挑選，再加以利用的塑料回收法。化學(xué)回收方法可以更好地減少廢舊塑料片材對環(huán)境的污染，也可以彌補(bǔ)物理回收法的不足，回收利用率高。因?yàn)榻到鈩┑姆N類和降解條件不同，各種分解方法各具特色，但原理都大致相同，可根據(jù)片材的性質(zhì)選擇使用。本文針對常見的熱解法、水解法、醇解法進(jìn)行綜述。

3.2.1 熱解法

熱解法一般通過加熱升溫，使廢舊塑料片材在惰性氣體或者空氣中被分解，之后將分解物中的顆粒雜質(zhì)及纖維等填料分離出[13]。目前，熱解法主要可分為高溫?zé)峤?、微波輔助熱解和流化床輔助熱解等[14]，對纖維增強(qiáng)塑料片材回收時(shí)各自優(yōu)缺點(diǎn)如表2。

作為傳統(tǒng)的廢舊物處理辦法，熱解技術(shù)已經(jīng)是一種較為成熟的工藝，對一些較難回收的熱固性塑料片材回收微波輔助熱解法和流化床輔助熱解較為適用。

表2 熱解法優(yōu)缺點(diǎn)比較

其優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)生的污染排放低，且在熱解過程中能獲得一部分能源，可以提高能源的回收利用率。但熱分解也存在一些缺點(diǎn)，如較高溫度下原料易發(fā)生分解變性，且與氧等反應(yīng)。

3.2.2 水解法

水解法是指在一定溫度下，不同 pH水溶液中將廢舊塑料片材分解成單體或低聚物等過程。按PH大小不同可分為酸性水解法、堿性水解法和中性水解法。隨著熱塑性塑料行業(yè)的發(fā)展，水解法日益受到重視，可用于各類塑料片材的分解回收。但與其他分解方法相比，水解過程較為緩慢，且分解物的提純困難，需多次蒸餾，成本高。

3.2.3 醇解法

廢舊塑料片材可在高溫、高壓條件下于各類醇中解聚的過程，常見的有甲醇分解、乙二醇分解、異辛醇分解等，成本低、工藝簡單易控制和對原料腐蝕性較小。Chen Chenho等[15]采用乙二醇醇解回收PET飲料瓶，在一定條件下，醇解率達(dá)到了 100%。但醇在高溫下?lián)]發(fā)的快，且分解后的部分樹脂提純難度大，這些問題還需進(jìn)一步完善。

結(jié) 論

隨著塑料工業(yè)的發(fā)展，人們對廢舊塑料片材和加工過程中邊角料片材回收再利用的研究越來越多。現(xiàn)階段，對各類廢舊塑料片材的切割、粉碎、回收再利用等一系列過程都研發(fā)了許多的機(jī)械設(shè)備和方法，能夠?qū)崿F(xiàn)廢舊塑料片材在線一體化回收，不僅可以解決環(huán)境污染問題，還可實(shí)現(xiàn)資源的高效和循環(huán)利用，是塑料行業(yè)持續(xù)發(fā)展的必由路。但現(xiàn)有的設(shè)備和方法用來回收塑料片材存在諸多不足，直接針對塑料片材的回收還研究較少，而且不同材料的塑料片材性質(zhì)也不同，對設(shè)備和方法有著不同得要求，還需進(jìn)一步的完善。